飞艇无线以太网应用方案

GEMDS

一、基本概况
    在博览会期间，飞艇悬停于会场附近1000米的空中，为会议采集CIF格式清晰度的视频数据，现需要安装一套无线数据传输系统，系统主要完成对飞艇内设备的视频监控视频的传输和发生紧急情况时，地面控制中心可向飞艇发送控制信号，控制飞艇在远离人员密集区后再降落。
    系统示意图如下：

二、 系统设计以及相关考虑
    为了保证系统最高的数据通信安全性和可靠性。在设备选型、设备配置、系统设计几方面均经过仔细分析和考虑，采取了相应的措施。
2.1  设备选型
    美国GE MDS公司
    美国GE MDS公司是世界公认的提供无线数据采集系统的先锋，七十多万台GE MDS电台在世界各地安装使用。GE MDS电台的性能树立了无线数据通信行业的标准。
    MDS公司成立于1985年，位于纽约州北部罗彻斯特市，专门研制生产专业无线数据通信设备。26年来，MDS公司一直在工业专网通信领域的前沿独领风骚，成为这一行业最大生产厂商。 MDS公司现有员工280人，占有美国70%同类 产品市场。   
    MDS拥有世界级的厂房和自动化生产设施。它的生产管理系统采用柔性制造生产。它有两条表面焊接技术生产线，所有的部件、半成品及成品的试验和检测都是自动控制完成的。工厂依据客户的订单进行生产，每天可以生产多种不同的机型，日产可达1,000台。 56,000平方英尺的厂房，ISO-9001质量认证体系， 先进的管理系统， 造就了一流的产品，一流的企业。         
    MDS一方面不断创新，加强技术储备，另一方面下大力量保持产品的兼容性，使已安装的产品与新产品可以兼容并升级换代。MDS为了电台的安装调试和使用维护方便，开发了许多专用工具和软件，深受用户喜爱。MDS电台已成为了行业的标准。                                                
    2007年3月 美国通用电器公司（GE）收购了MDS公司，更名为GE MDS公司。  
    GE MDS iNET300是一款工业级的无线以太网设备，它的传输距离远，传输速率高。通过iNET300，用户可以将远端以太网或串口网络的数据直接传输到基于IP的网络中，如：油井、气井、泵站、管道、储液罐及仪表的各种数据。它也可以为基于车载移动的各种应用提供一个移动的无线访问网络。
    GE MDS iNET300 工作频点为336MHz－344MHz频段，因其频率较低，传输距离比微波设备远很多，在视距情况下最大传输距离可达100公里，电台的空中传输速率最高可达512Kbps。
GE MDS iNET300无线方案的优势
传输距离远：
    工业级产品，同类产品传输距离最远。
可靠性高：
    双机热备主站（通过P21实现）能够为一些关键的应用提供很高的系统可靠性。远端设备也可以采用双机热备模式。
安全性能强：
    无线链路提供多级保护措施，包括300MHz物理层的调频扩频技术及128位数据加密等，支持AES-128，支持RADIUS。
灵活性好：
    iNET 300电台支持多个用户的多个应用，通过多种不同协议在同一个电台或网络中同时工作。
兼容性强：
    iNET 300采用开放的接口标准，能够向上向下兼容。
网管功能强：
    可使用NETview MS 进行远程管理。NETview MS基于独立的Java应用平台，它可以和其他厂商的管理软件集成在一起。
功能特点
◆ 同一个设备或网络支持多种协议，多种应用，多个用户。
◆ 电台同时支持以太网口及串口——可作为已有串口设备到以太网转换的网关设备。
◆ 工业级设备性能——可以在各种恶劣环境下工作。
◆ 支持工业以太网协议。
◆ 传输距离远——最远可达100KM。
◆ 传输速率高——最高可达512Kbps
◆ 安全性能好——多级安全防护措施，确保设备不被窃听及非法访问。
◆ 可靠性能高——提供双机热备冗余配置，保证网络的可靠性。
◆ 即插即用——设备简单配置即可使用。
◆ MDS网管系统——先进的SNMP管理系统，易于简化设备操作维护及提高网络操作性能。
2.2  系统频率的选择
    考虑到飞艇在空中的高度较高，易受气流，风力等天气条件的影响，我们拟定采用具有绕射能力比较强的超短波频段，336-344MHz之间的任何频点都符合这个要求。
2.3  系统计算分析
    不管采用什么样的工程公式计算，实际数据可能不一样，但结论都将是相同的。只是采用的公式考虑的因素少的时候，数据会有利一些，但和实际情况的差距也会大一些。公式考虑的因素越全越接近实际情况。这里都是视距传输，采用自由空间传输计算公式比较接近实际值。
2.3.1 计算分析
1、假设控制中心与飞艇距离20km计算系统衰弱储备值
      已知的基础设施的原始数据：
      飞艇高度＝1000米
      控制中心位置未知，假设控制中心距离飞艇20KM，假设接收天线高度为50米。
      天线选用全向天线，天线增益为8dB
日本人奥村，对地面移动通信的电波传播问题，做了大量的统计工作，并归纳出一个大城市适用的传播损耗 Lb  经验公式：
Lb(dB)=75 + 26Lgf + 45LgR - GT(dB) - GR(dB)–(14+6.5LgR）×LgHT–3.2 [ Lg（12HR）]2
式中， 收、发天线高度HR ， HT 单位为 m ， f为340MHz，
则Lb(dB) = 75＋26Lg340＋45Lg20－8－8－（14＋6.5Lg20）×Lg1000－3.2[Lg(12×50)]2
              = 75 + 68.82 + 58.55 – 8 – 8 - 67.37 - 24.70
              = 94.3dB
iNET300电台的发射功率为37dB，接收灵敏度为－97dBm。
衰落储备实际值=系统增益-接头损耗-电缆损耗-传播损耗
其中：
系统增益=数字电台的发射功率-数字电台的接收灵敏度=37-（-97）=134dBm
接头损耗=8×0.25=1dB(按照8个接头，包括馈线和跳线的所有接头)
电缆损耗，不同安装位置的电缆长度不同，按照估计，飞艇上的电缆长度不超过10m，地面不超过50m。
电缆长度=10米（飞艇）+50米（地面）=60米
电缆损耗=3.83dB×60/100=2.298dB（使用普通1/2”电缆，3.83dB/100m）
则系统衰弱储备值＝系统增益-接头损耗-电缆损耗-传播损耗
                ＝134－1－2.298－94.3
                        ＝36.40dB
则此时接收机的接收场强约为－60.60dB，系统留有36.40dB的余量。
2、假设控制中心距离飞艇50KM
     飞艇到地面间的传播损耗计算：
Lb(dB)=75 + 26Lgf + 45LgR - GT(dB) - GR(dB)–(14+6.5LgR）×LgHT–3.2 [ Lg（12HR）]2
          =75 + 68.82 + 76.45 – 8 – 8 – 75.12 - 24.70
          =104.45 dB
则系统衰弱储备值＝系统增益-接头损耗-电缆损耗-传播损耗
                ＝134－1－2.298－104.45
                        ＝26.25dB
则此时接收机的接收场强约为－70.75dB，系统留有26.25dB的余量。
三、结论
    根据前面的计算分析，采用GE MDS公司的iNET300设备，无论是设计余量还是系统硬件冗余、数据带宽冗余、通信距离都非常合理。
    充分考虑到飞艇在空中时，易受风力、气流的影响，会造成天线的摆动，致使传输方向上的增益和极化方向都会发生变化，最恶劣的情况是天线在传输方向上的增益为0，极化方向垂直（影响传输最大值3dB）,则为系统带来最大19dB的传输路径上的插入损耗。而我们iNET300设备设计的系统衰弱储备值远大于最恶劣情况带来的影响值。
    所以，iNET300电台在此可完全满足设计要求。